(57)【要約】【課題】一対のフィン群を備えるフィンチューブ型熱交換器において、熱交換量の低下を抑えつつ熱交換器全体での圧力損失を低減できるようにする。【解決手段】フィンチューブ型熱交換器には第１方向に沿って風が供給される。この熱交換器は、風上側に配置された複数の前列フィン３と、風下側に配置された複数の後列フィン４と、前列フィン３を貫通する第１伝熱管２１と、後列フィン４を貫通する第２伝熱管２２と、を備えている。各前列フィン３および各後列フィン４は、前記第１方向に対して傾斜する縞模様を呈する同一波形状のコルゲートフィンである。各後列フィン４の第１斜面部４１は、前記縞模様に平行な傾斜方向において、各前列フィン３の第１斜面部３１と連続面を形成するように部分的に重なっている。【選択図】図２
2013050270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に沿って風が供給されるフィンチューブ型熱交換器であって、
風上側に配置された、前記第１方向と直交する第２方向に所定間隔で並ぶ複数の前列フィンと、
風下側に配置された、前記第２方向に前記所定間隔で並ぶ複数の後列フィンと、
前記複数の前列フィンを貫通する、前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に配列された第１伝熱管と、
前記複数の後列フィンを貫通する、前記第３方向に配列された第２伝熱管と、を備え、
前記複数の前列フィンのそれぞれおよび前記複数の後列フィンのそれぞれは、前記第１方向に対して傾斜する縞模様を呈する、第１斜面部と第２斜面部を交互に繰り返す同一波形状のコルゲートフィンであり、
前記複数の後列フィンのそれぞれにおける第１斜面部は、前記縞模様に平行な傾斜方向において、前記複数の前列フィンのそれぞれにおける第１斜面部と連続面を形成するように部分的に重なっている、フィンチューブ型熱交換器。
【請求項２】
前記波形状の振幅をγ、前記第２方向における前記複数の前列フィンと前記複数の後列フィンとのずれ量をβとしたときに、以下の式
（１／４）γ≦β≦（３／４）γ
を満たす、請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項３】
前記第１伝熱管および前記第２伝熱管は、前記第２方向から見たときに千鳥状になるように配置されている、請求項２に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項４】
前記第１伝熱管および前記第２伝熱管は、一定のピッチｐで配列されており、
前記傾斜方向が前記第１方向となす角度をθ（０°＜θ＜９０°）、前記波形状の波長をλとしたときに、以下の式
λ≦ｐ・ｓｉｎθ＜３λ
を満たす、請求項３に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項５】
前記第１方向における前記第１伝熱管の中心から前記第２伝熱管の中心までの距離をａとしたときに、以下の式
０．５λ≦ａ・ｃｏｓθ＜１．５λ
を満たす、請求項４に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項６】
前記所定間隔をｔとしたときに、前記振幅γはｔ／２よりも大きく、前記ずれ量βはｔ／２と等しい、請求項２〜５のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項７】
前記第１方向において、前記複数の後列フィンは前記複数の前列フィンに当接している、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項８】
前記傾斜方向が前記第１方向となす角度θは、５０°以上８０°以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【請求項９】
前記第１伝熱管は、前記第１方向において前記複数の前列フィンの中央を貫通しており、前記第２伝熱管は、前記第１方向において前記複数の後列フィンの中央を貫通している、請求項１〜８のいずれか一項に記載のフィンチューブ型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対のフィン群を備えるフィンチューブ型熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、風が供給される方向に沿って一対のフィン群が配置されたフィンチューブ型熱交換器が知られている。例えば、特許文献１には、図８（ａ）に示すようなフィンチューブ型熱交換器１００が開示されている。
【０００３】
このフィンチューブ型熱交換器１００は、風上側に配置された複数の前列フィン１１０と、風下側に配置された複数の後列フィン１２０を備えている。前列フィン１１０および後列フィン１２０は、伝熱管１３０により貫通されている。
【０００４】
各前列フィン１１０および各後列フィン１２０は、風が供給される方向と直交する筋模様を呈するコルゲートフィンである。また、特許文献１に開示されたフィンチューブ型熱交換器１００では、低騒音化のために、図８（ｂ）に示すように、各前列フィン１１０と各後列フィン１２０とがそれらの境界において互いに連続するように配置されている。
【０００５】
また、単一のフィン群を備えるフィンチューブ型熱交換器に関するものであるが、特許文献２には、コルゲートフィンの筋模様を風が供給される方向に対して傾斜させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２７５２９５号公報
【特許文献２】特公平７−３１０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されたフィンチューブ型熱交換器１００において、特許文献２に開示された構成を採用しようとする場合には、前列フィン１１０と後列フィン１２０の境界において双方の波形状をどのような位置関係とするかが問題となる。例えば、前列フィン１１０と後列フィン１２０の境界において双方の波形状が交互に出現してそれらの間に均一な隙間が形成されるように、前列フィン１１０と後列フィン１２０とをそれらが並ぶ間隔の半分だけずらすことが考えられる。しかしながら、このような構成では、前列フィン間を流れた空気が後列フィンの縁に衝突して分断されるため、熱交換器全体での圧力損失が増大する。一方で、前列フィンと後列フィンの境界においてそれらの波形状を完全に合致させた場合には、圧力損失を最小限に抑えることができるものの、熱交換量が大きく低下することが懸念される。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、一対のフィン群を備えるフィンチューブ型熱交換器において、熱交換量の低下を抑えつつ熱交換器全体での圧力損失を低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は、第１方向に沿って風が供給されるフィンチューブ型熱交換器であって、風上側に配置された、前記第１方向と直交する第２方向に所定間隔で並ぶ複数の前列フィンと、風下側に配置された、前記第２方向に前記所定間隔で並ぶ複数の後列フィンと、前記複数の前列フィンを貫通する、前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に配列された第１伝熱管と、前記複数の後列フィンを貫通する、前記第３方向に配列された第２伝熱管と、を備え、前記複数の前列フィンのそれぞれおよび前記複数の後列フィンのそれぞれは、前記第１方向に対して傾斜する縞模様を呈する、第１斜面部と第２斜面部を交互に繰り返す同一波形状のコルゲートフィンであり、前記複数の後列フィンのそれぞれにおける第１斜面部は、前記縞模様に平行な傾斜方向において、前記複数の前列フィンのそれぞれにおける第１斜面部と連続面を形成するように部分的に重なっている、フィンチューブ型熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
上記の構成によれば、前列フィン間を流れた空気の一部は後列フィンの縁に衝突して分断されるものの、残りは後列フィンに沿ってスムーズに流れる。これにより、熱交換量の低下を抑えつつ熱交換器全体での圧力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器を示す概略斜視図
【図２】（ａ）は図１に示すフィンチューブ型熱交換器の部分的な断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った端面図
【図３】（ａ）は図２（ｂ）に示す状態からずれ量βを小さくしたときの端面図、（ｂ）は図２（ｂ）に示す状態からずれ量βを大きくしたときの端面図
【図４】変形例のフィンチューブ型熱交換器における前列フィンと後列フィンの境界上での端面図
【図５】（ａ）はモデル２，３を基本構成単位とする熱交換器の部分的な断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った端面図
【図６】（ａ）はモデル１を基本構成単位とする熱交換器の部分的な断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った端面図
【図７】モデル１〜６のシミュレーション結果を示すグラフ
【図８】（ａ）は従来のフィンチューブ型熱交換器を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線に沿った断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００１３】
図１に、本発明の一実施形態に係るフィンチューブ型熱交換器１を示す。この熱交換器１は、内部流路を流れる媒体と当該熱交換器１を通過する空気との間で熱交換を行うものである。内部流路を流れる媒体の具体例は、例えば二酸化炭素やＨＦＣなどの冷媒である。熱交換器１には図１中に矢印Ａで示すように第１方向に沿って風が供給され、その第１方向に沿って一対のフィン群が配置されている。
【００１４】
具体的に、熱交換器１は、風上側に配置された複数の前列フィン３と、風下側に配置された複数の後列フィン４を備えている。さらに、熱交換器１は、前列フィン３を貫通する第１伝熱管２と、後列フィン４を貫通する第２伝熱管２２を備えている。
【００１５】
前列フィン３および後列フィン４は、それぞれ前記第１方向と直交する第２方向に所定間隔ｔで並んでいる（図２（ｂ）参照）。ここで、間隔ｔとは、前列フィン３および後列フィン４の厚さを無視したときのフィン同士の間の距離をいう。
【００１６】
第１伝熱管２１および第２伝熱管２２は、上記内部流路を構成するものであり、それぞれ第１方向および第２方向と直交する第３方向に一定のピッチｐで配列されている（図２（ａ）参照）。なお、以下では、説明の便宜のために、第１方向をｙ方向、第２方向をｘ方向、第３方向をｚ方向という。本実施形態では、ｘ方向およびｙ方向が水平方向であり、ｚ方向が鉛直方向であるが、ｘ、ｙ、ｚ方向はこれに限定されるものではなく、熱交換器１の設置場所等に応じて適宜選定可能である。
【００１７】
各前列フィン３および各後列フィン４の輪郭は、ｘ方向から見たときに、ｚ方向に延びる長方形状である。前列フィン３と後列フィン４のｙ方向の幅は異なっていてもよいし同一であってもよい。
【００１８】
第１伝熱管２１は、隣り合う第１伝熱管２１が縦Ｕ字管２３によって連結されることにより、蛇行しながらｚ方向に延び、前列フィン３を複数回横切る１本の風上側流路を形成する。同様に、第２伝熱管２２は、隣り合う第２伝熱管２２が縦Ｕ字管２３によって連結されることにより、蛇行しながらｚ方向に延び、後列フィン４を複数回横切る１本の風下側流路を形成する。本実施形態では、最も上方に位置する第１伝熱管２１と最も上方に位置する第２伝熱管２２とが横Ｕ字管２４によって連結されることにより、風上側流路と風下側流路とが接続されている。また、最も下方に位置する第１伝熱管２１と最も下方に位置する第２伝熱管２２とが延長されており、外部との接続口を構成している。ただし、風上側流路と風下側流路とは必ずしも接続されている必要はなく、別々の流路となっていてもよい。
【００１９】
本実施形態では、第１伝熱管２１および第２伝熱管２２は、図２（ａ）に示すように、ｘ方向から見たときに千鳥状になるように配置されている。この場合、ｚ方向における各第１伝熱管２１の中心から各第２伝熱管２２の中心までの距離は（１／２）ｐであることが好ましい。ただし、第１伝熱管２１および第２伝熱管２２は、ｘ方向から見たときにマトリクス状になるように配置されていてもよい。
【００２０】
第１伝熱管２１および第２伝熱管２２は、ｙ方向において、前列フィン３および後列フィン４の中央から風上側または風下側にずれた位置に配置されていてもよい。ただし、フィン効率を向上させるという観点からは、第１伝熱管２１がｙ方向において前列フィン３の中央を貫通し、第２伝熱管２２がｙ方向において後列フィン４の中央を貫通していることが好ましい。なお、第１伝熱管２１および第２伝熱管２２は、前列フィン３および後列フィン４に設けられたカラー２０内に挿入されている。
【００２１】
各前列フィン３および各後列フィン４は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、ｙ方向に対して傾斜する筋模様を呈する同一波形状のコルゲートフィンである。このようなコルゲートフィンとしては、例えば肉厚が０．０５〜０．８ｍｍのアルミニウム製の薄板を好適に用いることができる。特に、フィン効率を向上させるという観点からは、肉厚が０．０８ｍｍ以上の薄板を用いることが好ましい。また、コルゲートフィンの表面には、ベーマイト処理または親水性塗料の塗布などの親水性処理が施されていてもよい。なお、コルゲートフィンの筋模様に平行な傾斜方向は、ｙ方向の風上側から風下側に向かって先下がりであってもよいし先上がりであってもよい。
【００２２】
具体的に、各前列フィン３は、第１斜面部３１と第２斜面部３２を交互に繰り返し、各後列フィン４は、第１斜面部４１と第２斜面部４２を交互に繰り返す。第１斜面部３１，４１と第２斜面部３２，４２とは、鋸歯状を形成するように異なる勾配を有していてもよいが、本実施形態ではそれらが線対称となっていて同一の勾配を有している。また、第１斜面部３１，４１および第２斜面部３２，４２は、少なくとも中間部分が直線状の断面形状を有している限り、必ずしも全域に亘ってフラットである必要はない。例えば、波形状の山および谷が丸みを帯びるように、第１斜面部３１，４１および第２斜面部３２，４２の両端部が湾曲していてもよい。
【００２３】
本実施形態では、加工上の観点から、第１斜面部３１，４１と第２斜面部３２，４２との間に形成される稜線（波形状の山または谷）が第１伝熱管２１および第２伝熱管２２の中心を通るように前列フィン３および後列フィン４が設計されている。すなわち、コルゲートフィンの筋模様に平行な上記傾斜方向がｙ方向となす角度をθ（０°＜θ＜９０°）、コルゲートフィンの波形状の波長をλとしたときに、以下の式（１）を満たす。式（１）中、ｎは自然数である。
ｎ・λ＝ｐ・ｓｉｎθ  ・・・（１）
【００２４】
ただし、第１斜面部３１，４１と第２斜面部３２，４２との間に形成される稜線は必ずしも第１伝熱管２１および第２伝熱管２２の中心を通る必要はない。適正な周期の波形状を得るためには、以下の式（２）が満たされることが好ましい。
λ≦ｐ・ｓｉｎθ＜３λ  ・・・（２）
【００２５】
さらに、本実施形態では、各後列フィン４の第１斜面部４１が、上記傾斜方向において、各前列フィン３の第１斜面部３１と連続面Ｓ１を形成するように部分的に重なっている。換言すれば、前列フィン３と後列フィン４の境界においては、後列フィン３が前列フィン３と完全に合致する位置から前列フィン３の第１斜面部３１に沿って平行移動されている。
【００２６】
すなわち、前列フィン３と後列フィン４との間には、ｘ方向においてずれ量βが確保されており、以下の式を満足するように上記傾斜方向と直交する方向に位相差αが設定されている。式（３）中、γはコルゲートフィンの波形状の振幅である。ずれ量βは、換言すれば、各前列フィン３の山（または谷）から各後列フィン４の山（または谷）までのｘ方向における距離である。
γ・α＝（λ／２）・β  ・・・（３）
【００２７】
これにより、前列フィン３と後列フィン４の境界上では、前列フィン３および後列フィン４の第１斜面部３１，４１の互いに重なっていない部分を二辺とし、かつ、前列フィン３および後列フィン４の第２斜面部３２，４２を二辺とする平行四辺形Ｐ１が形成される（図３（ａ）および（ｂ）も参照）。なお、第１斜面３１，４１同士が重なるためには、当然にずれ量βは振幅γよりも小さい。
【００２８】
後列フィン４は、ｙ方向において、前列フィン３から離間していてもよいが、前列フィン３に当接していることが好ましい。また、ｙ方向における第１伝熱管２１の中心から第２伝熱管２２の中心までの距離をａとしたときに、以下の式（４）を満たすことが好ましい。これにより、適正な周期の波形状を得られるからである。
０．５λ≦ａ・ｃｏｓθ＜１．５λ  ・・・（４）
【００２９】
上記のように、ずれ量βは振幅γよりも小さければ任意に決定可能である。しかし、ずれ量βが小さすぎると、図３（ａ）に示すように平行四辺形Ｐ１が小さくなる。熱交換器１が例えば空気調和装置に用いられる場合には、暖房運転時に発生する結露水やデフロスト運転時に発生する融解水が平面張力によって小さな平行四辺形Ｐ１に保持されてしまう。逆に、ずれ量βが大きすぎると、図３（ｂ）に示すように第１斜面部３１，４１同士の重なりが小さくなり、空気抵抗が増大する。そこで、良好な排水性を得ると共に空気抵抗を低減させるという観点からは、ずれ量βと振幅γの関係は、以下の式（５）を満たすことが好ましい。
（１／４）γ≦β≦（３／４）γ  ・・・（５）
【００３０】
振幅γは、図４に示すように、所定間隔ｔに対して十分小さくてもよい。しかしながら、図２（ｂ）に示すように、振幅γがｔ／２よりも大きく、ずれ量βがｔ／２と等しいことが好ましい。このような構成であれば、各後列フィン４における第２斜面部４２は、当該後列フィン４の第１斜面部４１が部分的に重なる第１斜面部３１を有する前列フィン３に隣接する前列フィン３の第２斜面部３２と、連続面Ｓ２を形成するように前記傾斜方向において部分的に重なる。これにより、前列フィン３と後列フィン４の境界上では、前列フィン３および後列フィン４の第２斜面部３２，４２の互いに重なっていない部分を二辺とし、かつ、前列フィン３および後列フィン４の第１斜面部３１，４１を二辺とする第２の平行四辺形Ｐ２が形成される。換言すれば、前列フィン３と後列フィン４の境界上では、各前列フィン３と各後列フィン４とが網目格子を形成するように重なり、平行四辺形Ｐ１と第２の平行四辺形Ｐ２とからなる幾何学模様が形成される。
【００３１】
なお、振幅γがｔ／２よりも大きな場合、ずれ量βがｔ／２よりも大きければ、図３（ｂ）に示すように、各後列フィン４の第２斜面部４２が各前列フィン３の第２斜面部３２を超えてしまい、平行四辺形Ｐ１同士が一部で重なることになる。
【００３２】
ここで、図２（ａ）に示すように、前列フィン３および後列フィン４のｙ方向の幅がａと等しく、それらの中央を伝熱管２１，２２が貫通する場合に、伝熱管２１，２２の中心を通る稜線を形成する第１斜面部３１，４１同士が前記傾斜方向に重なるためには、次の式（６）を満たす必要がある。ただし、β＝ｔ／２、ｐ・ｓｉｎθ＝２γである。
ｔ／２＝２γ（１−ａ・ｃｏｓθ／λ）  ・・・式（６）
【００３３】
なお、式（６）を満たすという観点からは、前記傾斜方向がｙ方向となす角度θは、５０°以上８０°以下であることが好ましい。
【００３４】
以上説明した本実施形態の熱交換器１では、前列フィン３間を流れた空気の一部は後列フィン４の縁に衝突して分断されるものの、残りは後列フィン４に沿ってスムーズに流れる。これにより、熱交換量の低下を抑えつつ熱交換器１全体での圧力損失を低減することができる。
【００３５】
特に、波形状の振幅γがｔ／２よりも大きく、かつ、ずれ量βがｔ／２と等しければ、前列フィン３と後列フィン４の境界上に平行四辺形Ｐ１と第２の平行四辺形Ｐ２からなる幾何学模様が形成されるため、圧力損失を最小限に抑えることができるとともに、良好な排水性も得ることができる。
【００３６】
（シミュレーション）
以下に、本実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーションを説明する。
【００３７】
シミュレーションでは、フィンチューブ型熱交換器を空気調和装置（４ｋＷ）の蒸発器として用い、暖房運転を行った場合の熱交換器全体での熱交換量および空気圧力損失を算出した。解析条件としては、熱交換器に供給される空気の温度を７．０℃、密度を１．２４４ｋｇ／ｍ3、風速を１．０ｍ／ｓとした。また、熱交換器の内部流路を流れる冷媒をＲ４１０Ａとし、その温度を０．０℃、熱伝達率を３２００Ｗ／ｍ2・Ｋとした。
【００３８】
前列フィンおよび後列フィンの寸法としては、それらの幅をａと等しくし（それらをｙ方向に当接）、ａ＝１８．９０ｍｍとした。また、前列フィンおよび後列フィンの厚みを０．０９ｍｍとするとともに、ｔ＝１．３３ｍｍ、γ＝１．２６ｍｍ、β＝０．６６５ｍｍ（ｔ／２）とした。さらに、第１伝熱管および第２伝熱管については、それらがｙ方向において前列フィンおよび後列フィンの中央を貫通するようにかつｚ方向にｐ／２ずれるように配置し、内径を６．４ｍｍ、外形を７．０ｍｍ、ｐ＝１８．３２ｍｍとした。
【００３９】
その上で、１つのピッチｐ間の領域に相当する６つのモデル（モデル１〜６）を作成した。モデル１〜６では、以下の表１に示すようにθを０°から９０°まで変化させるとともに、波長λをθが大きくなるにつれて大きくした。すなわち、θ＝０°のモデル１を基本構成単位とする熱交換器では、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、前列フィンと後列フィンの境界上でそれらが直線を描きながら交互に並ぶ。モデル２，３を基本構成単位とする熱交換器では、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、前列フィンと後列フィンの境界上でそれらが大きく引き延ばされた波形を描きながら交互に並ぶ。モデル４，５を基本構成単位とする熱交換器では、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、前列フィンと後列フィンの境界上でそれらの第１斜面部同士および第２斜面部同士が部分的に重なる。θ＝９０°のモデル６を基本構成単位とする熱交換器では、図示は省略するが、前列フィンと後列フィンの境界上でそれらが再び交互に並ぶ。なお、表１には、ｐ・ｓｉｎθ／λおよびａ・ｃｏｓθ／λの計算値も記入する。
【００４０】
【表１】
2013050270.tif 000003
【００４１】
モデル１〜６のシミュレーション結果を図７に示す。なお、図７では、モデル１の熱交換量に対するモデル２〜６の熱交換量の比を実線で示し、モデル１の空気圧力損失に対するモデル２〜６の空気圧力損失の比を破線で示す。
【００４２】
図７から、モデル１〜６では熱交換量はそれほど変わらないが、θが５０°以上８０°以下であり、図２（ａ）および（ｂ）に示すような構成のモデル４，５では、空気圧力損失を大きく低減できていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のフィンチューブ型熱交換器は、空気調和装置、給湯装置、暖房装置などに用いられるヒートポンプに有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１    フィンチューブ型熱交換器
２１  第１伝熱管
２２  第２伝熱管
３    前列フィン
４    後列フィン
３１，４１  第１斜面部
３２，４２  第２斜面部
【図１】
2013050270.tif 000004
【図２】
2013050270.tif 000005
【図３】
2013050270.tif 000006
【図４】
2013050270.tif 000007
【図５】
2013050270.tif 000008
【図６】
2013050270.tif 000009
【図７】
2013050270.tif 000010
【図８】
2013050270.tif 000011